JP5408057B2 - 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、表示素子に表示された映像を虚像として観察者に観察させる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）とに関するものである。

従来から、ホログラフィック光学素子（以下、ＨＯＥとも称する）を利用して、表示素子に表示された映像を虚像として観察者に観察させる映像表示装置が種々提案されている。例えば、特許文献１の映像表示装置では、表示素子からの映像光をＨＯＥで回折反射させて観察者の瞳に導く構成において、ＨＯＥを円筒形状で形成している。つまり、ＨＯＥは円筒形状の基板上に形成されており、ＨＯＥ面は全体として曲率が一定のシリンドリカル面となっている。

ここで、ＨＯＥ面が例えば平面であるとき、観察画角が大きくなると、画面内での映像光のＨＯＥでの回折角度が大きく変化する。つまり、画角中心に比べて画角端部でＨＯＥにおける回折角度（特に回折角度と正反射角度との差）が大きくなる。このため、ＬＥＤのように発光波長幅を持つ光を出射する光源を用い、表示素子が上記光源から出射される光を変調して映像を表示する構成では、回折角度の大きい部分（画角端部）において、ＨＯＥでの回折による分散によって大きな倍率色収差が発生し、解像度が低下して映像品位が低下する。

この点、特許文献１では、ＨＯＥ面をシリンドリカル面で形成することにより、広画角の場合でも、画角端部での回折角度を小さくすることができる（正反射角度に近づけることができる）。したがって、ＨＯＥ面が平面であるときに発生する上記の収差を低減して、良好な虚像の観察が可能となっている。

特開平１１−３２６８２４号公報（請求項１〜３、段落〔０００４〕〜〔０００６〕、〔００１８〕、〔００１９〕、〔００４６〕等参照）

ところが、特許文献１のように、ＨＯＥ面全体をシリンドリカル面とする構成では、広画角化に対応すべく、画角端部での回折角度を正反射角度に近づけるためには、ＨＯＥ面の曲率を大きくする必要がある。ＨＯＥ面の曲率が大きくなると、ＨＯＥ面全体の凸側への突出量（飛び出し量）が大きくなる。このため、ＨＯＥを含む観察光学系（接眼光学系）を観察者の眼前に配置したときに、ＨＯＥを含む観察光学系の厚さ（観察瞳の面に垂直な方向の厚さ）が増大するという問題が生ずる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、広画角化する場合でも、ＨＯＥを含む観察光学系を厚くすることなく、ＨＯＥの分散による倍率色収差を小さく抑えて、高品位な映像を観察者に観察させることができる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたＨＭＤとを提供することにある。

本発明の映像表示装置は、発光ピーク波長が少なくとも１つ存在し、かつ、１つの発光ピーク波長を含む波長幅の光を出射する光源と、前記光源から出射された光を変調して映像を表示する表示素子と、前記表示素子からの映像光を観察瞳に導き、前記観察瞳の位置にて観察者に虚像を観察させるための観察光学系とを備えた映像表示装置であって、前記観察光学系は、前記表示素子からの映像光を回折反射させて前記観察瞳に導く体積位相型で反射型のホログラフィック光学素子を有しており、前記表示素子の表示面の中心と前記観察瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とし、前記ホログラフィック光学素子に対する入射光の光軸と反射光の光軸とを含む面を主平面とすると、前記ホログラフィック光学素子の面は、前記主平面を対称面とする対称形であり、前記主平面に平行または垂直な面内でのみ曲率を有し、かつ、前記面内で前記表示面の中心に最も近い位置から最も遠い位置に向かうにつれて曲率半径が小さくなる、前記観察瞳側に凹の曲面で構成されていることを特徴としている。

本発明の映像表示装置では、前記観察光学系において、前記ホログラフィック光学素子の面のみが、光学パワーを有していてもよい。

本発明の映像表示装置において、前記ホログラフィック光学素子の面は、画角が異なる２方向のうち、画角がより広い方向に曲率を有していてもよい。

本発明の映像表示装置において、前記観察光学系は、前記ホログラフィック光学素子が形成される基板を含み、前記基板は、前記ホログラフィック光学素子の面に垂直な方向の厚さが一定の板状の基板であってもよい。

本発明の映像表示装置において、前記基板は、前記ホログラフィック光学素子で発生する０次回折光が前記観察瞳に向かう光路から外れるように、前記ホログラフィック光学素子を保持していてもよい。

本発明の映像表示装置において、前記観察光学系は、入射面を介して入射する前記表示素子からの映像光を少なくとも１つの全反射面で全反射させて導光し、前記ホログラフィック光学素子に導く接眼プリズムを備えていてもよい。

本発明の映像表示装置において、前記観察光学系は、前記ホログラフィック光学素子を介して前記接眼プリズムと接合される補正プリズムをさらに備えていてもよい。

本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した本発明の映像表示装置と、前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを備えている構成であってもよい。

本発明によれば、観察光学系のＨＯＥ面は、主平面を対称面とする対称形であり、主平面に平行または垂直な面内でのみ曲率を有し、かつ、その面内で表示面の中心に最も近い位置から最も遠い位置に向かうにつれて曲率半径が小さくなる、観察瞳側に凹の曲面で構成されている。これにより、例えばＨＯＥで表示面の中心に近い位置に入射する映像光については、ＨＯＥ面の曲率半径の大きい（曲率の小さい）部分で回折させて、回折角度を小さくしつつ（正反射角度に近づけつつ）、ＨＯＥで表示面の中心から遠い位置に入射する映像光（画角端部の映像光）については、ＨＯＥ面の曲率半径の小さい（曲率の大きい）部分で回折させて、回折角度を小さくする（正反射角度に近づける）ことができる。

しかも、ＨＯＥ面の曲率を一定ではなく、位置によって（表示面中心からの距離に応じて）変化させることにより、広画角化する場合でも、ＨＯＥ面全体をシリンドリカル面とする構成に比べて、ＨＯＥ面全体の観察瞳とは反対側への突出量を小さく抑えながら、画角端部での回折角度を正反射角度に近づけることができる。したがって、広画角化する場合でも、ＨＯＥを含む観察光学系を厚くすることなく、ＨＯＥの分散による倍率色収差を小さく抑えて、高品位な映像を観察者に観察させることができる。

本発明の実施の一形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 上記映像表示装置の光源の発光特性を示す説明図である。 上記映像表示装置の接眼光学系のＨＯＥの回折特性を示す説明図である。 （ａ）は、平板状のＨＯＥを作製する際に用いるホログラム感光材料の露光時の状態を示す説明図であり、（ｂ）は、上記ＨＯＥの使用時の状態を示す説明図である。 上記映像表示装置における座標軸を示す説明図である。 上記映像表示装置のＨＯＥ面の主平面に平行な面内での断面形状を示すグラフである。 上記ＨＯＥ面の上記面内での曲率半径の変化を示すグラフである。 本発明の他の実施の形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 上記映像表示装置における座標軸を示す説明図である。 上記映像表示装置のＨＯＥ面の主平面に平行な面内での断面形状を示すグラフである。 上記ＨＯＥ面の上記面内での曲率半径の変化を示すグラフである。 本発明のさらに他の実施の形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 上記映像表示装置の接眼光学系の斜視図である。 上記映像表示装置における座標軸を示す説明図である。 上記映像表示装置における座標軸を示す説明図である。 上記映像表示装置のＨＯＥ面の主平面に垂直な面内での断面形状を示すグラフである。 上記ＨＯＥ面の上記面内での曲率半径の変化を示すグラフである。 上記映像表示装置のＨＯＥを作製する露光光学系の概略の構成を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係るＨＵＤの概略の構成を示す断面図である。 上記の実施の形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。

〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば以下の通りである。

（映像表示装置について）
図１は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、光源１１（図１２参照）と、照明光学系１２（図１２参照）と、表示素子１３と、接眼光学系１４とを有して構成されている。なお、図１では、便宜上、光源１１および照明光学系１２の図示を省略している。本実施形態の映像表示装置１は、表示素子１３が観察者の顔の横に配置されるシースルー映像表示装置であり、接眼光学系１４の後述するＨＯＥ２３は、観察者の眼前に配置されて、観察者の顔の横から水平方向に進行する映像光を回折反射させて観察者の瞳に導く。以下、各構成について説明する。

光源１１は、表示素子１３を照明するものであり、発光ピーク波長が少なくとも１つ存在し、かつ、１つの発光ピーク波長を含む波長幅の光を出射する。

図２は、本実施形態の光源１１の発光特性を示している。本実施形態では、光源１１は、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の３つの波長帯域において発光ピーク波長を有する光を出射する。より詳しくは、光源１１は、発光ピーク波長と強度ピークに対する半値波長全幅で、例えば４６２±１２ｎｍ（Ｂ光）、５２５±１７ｎｍ（Ｇ光）、６３５±１１ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長帯域の光を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。なお、図２の発光強度は、Ｂ光の最大発光強度を１００としたときの相対値で示している。

照明光学系１２は、光源１１からの光を集光して表示素子１３に導く光学系であり、例えば凹面反射面を有するミラーで構成されている。表示素子１３は、光源１１から出射されて照明光学系１２を介して入射する光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、例えば透過型のＬＣＤで構成されている。表示素子１３は、矩形の表示画面の長辺方向が水平方向（図１の紙面に平行な方向）となり、短辺方向がそれに垂直な方向となるように配置されている。

接眼光学系１４は、表示素子１３からの映像光を観察瞳（光学瞳、射出瞳）Ｐに導き、観察瞳Ｐの位置にて観察者に虚像を観察させるための観察光学系であり、ＨＯＥ２３と、ＨＯＥ２３が形成される基板２４とで構成されている。

ＨＯＥ２３は、表示素子１３からの映像光を回折反射させて観察瞳Ｐに導く一方、外界光を透過させて観察瞳Ｐに導く体積位相型で反射型のホログラフィック光学素子であり、明るい映像と明るい外界の観察が同時に可能なコンバイナとして機能する。このＨＯＥ２３は、基板２４において観察瞳Ｐ側とは反対側の面に形成されており、基板２４の上記面の形状によってＨＯＥ２３の面の形状が規定されている。以下、ＨＯＥ２３における基板２４側の面のことをＨＯＥ面２３ａと記載する。なお、ＨＯＥ面２３ａの詳細については後述する。ＨＯＥ２３は、軸非対称（非回転対称）な正の光学パワーを有しており、正の光学パワーを持つ非球面凹面ミラー（自由曲面ミラー）と同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。

図３は、ＨＯＥ２３の回折特性を示している。同図に示すように、ＨＯＥ２３は、特定の入射角で入射する光であって、回折ピーク波長および回折効率ピークに対する半値波長全幅で例えば４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長帯域の光を回折反射させる角度選択性および波長選択性を有している。

基板２４は、ＨＯＥ面２３ａに垂直な方向の厚さが一定の板状の透明基板であり、ＨＯＥ２３を保持する。なお、基板２４の厚さは、シースルー性を妨げない（観察される外界が歪まない）程度の厚さであればよい。特に、基板２４は、ＨＯＥ２３で発生する０次回折光（正反射光）が全て観察瞳Ｐに向かう光路から外れるように、ＨＯＥ２３を保持している。

上記の構成において、光源１１から出射された光は、照明光学系１２によって集光され、ほぼコリメート光となって表示素子１３に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。表示素子１３からの映像光は、接眼光学系１４の基板２４を介してＨＯＥ２３に入射する。

ＨＯＥ２３は、凹面自由曲面と同等の光学パワーを有し、図３で示したように、光源１１の発光波長領域に対応する波長領域で回折効率を有する。したがって、ＨＯＥ２３に到達した映像光は、回折効率が存在する波長領域の光のみが回折反射されて、観察瞳Ｐに到達する。これにより、観察瞳Ｐの位置に観察者の眼（瞳）Ｅを位置させることにより、観察者は、表示素子１３に表示された映像の拡大虚像を眼前に観察することができる。また、ＨＯＥ２３は、回折効率が存在しない波長領域では、単なる透明なフィルムとして機能するので、観察者は映像と同時に、眼前の外界も観察することができる。

（回折角度と色分散との関係について）
次に、本実施形態のＨＯＥ面の詳細について説明する前に、一般的な平板状のＨＯＥにおける回折角度と色分散との関係について説明する。

図４（ａ）は、平板状のＨＯＥ１０１を作製する際に用いるホログラム感光材料１０１ａの露光時の状態を示しており、図４（ｂ）は、ＨＯＥ１０１の使用時（再生時）の状態を示している。ホログラム感光材料１０１ａを露光する際に用いる２光束の、ホログラム感光材料１０１ａに対する入射角をそれぞれθｏ（°）、θｒ（°）とし、露光波長をそれぞれλｒ（ｎｍ）とする。また、ＨＯＥ１０１に対する再生光線の入射角および射出角を、それぞれθｃ（°）、θｖ（°）とし、使用波長（再生波長）をλｃ（ｎｍ）とする。

ＨＯＥ１０１における回折では、下記のブラッグの条件式を満足するときに回折効率が最大となる。

（１）式は、薄いＨＯＥ１０１での回折に関するものである。ホログラム感光材料１０１ａの露光時に形成される干渉縞の間隔は、露光時の物体光および参照光の入射角および露光波長によって決まり、再生時には、隣り合う縞（干渉縞の隣り合う低屈折率部または隣り合う高屈折率部）から出て行く光が１波長分だけずれる方向で回折光の光強度が最大になることから、（１）式が導き出される。ホログラム感光材料１０１ａに対して入射角θｏおよびθｒで波長λｒの２光束がそれぞれ入射すると、それら光束の干渉によってホログラム（干渉縞）が記録される。このホログラムに対して、波長λｃの再生光をθｃの角度から照射したとき、角度θｖの方向に回折光が生じる。

これに対して、厚いＨＯＥ１０１では、干渉縞が３次元的に記録されているので、（１）式と同時に厚み方向の干渉縞の状態も考慮しなければならない。厚み方向の干渉縞による回折に関する式が（２）式である。つまり、（２）式は、ホログラム感光材料１０１ａに対して入射角θｏおよびθｒで波長λｒの２光束がそれぞれ入射することによって形成されるホログラムに対して、再生光をθｃの角度から照射したときに再生される光の波長を特定する式である。ＨＯＥ１０１の厚みが増すにしたがって、（２）式の回折波長域の半値半幅が狭くなり、再生の条件が厳しくなる。

体積位相型ホログラムでは、上記の（１）（２）式を同時に満足する必要があるが、少なくとも（１）式を満足する必要があることから、以下のことが言える。

（１）式より、再生光の射出角θｖは、（３）式で表わされる。

（３）式において、以下の（４）式を満足するとき、波長に依存する項がなくなる。そして、ＨＯＥ１０１での回折光の方向は、波長によらず一定で、ｓｉｎθｖ＝ｓｉｎθｃを満たす方向、すなわち、θｖ＝１８０°−θｃを満たす方向となる。このことは、ＨＯＥ１０１での回折方向は、ＨＯＥ１０１が形成される基板で正反射される方向と一致し、露光波長と再生波長とのズレによる回折方向のズレは発生しないことを意味する。

しかし、（３）式において、以下の（５）式を満足するときは、波長に依存する項が存在し、ＨＯＥ１０１での回折光の方向が、ｓｉｎθｖ＝ｓｉｎθｃを満たす方向、すなわち、θｖ＝１８０°−θｃを満たす方向とはならない。つまり、露光波長と再生波長とがズレると、ＨＯＥ１０１による回折方向が、ＨＯＥ１０１が形成される基板での正反射方向からずれ、波長によって回折角（射出角θｖ）が異なる。したがって、再生光が波長幅を持つ光源を用いた場合、再生光の回折角が波長幅に応じた幅を持ち、回折による色分散に起因する映像の劣化が起こる。

ＨＯＥ面を１面の平面で構成した場合、特に画角が広い方向（例えば水平方向）では、画面中心に比べて画面周辺での回折角と正反射角とのズレ（入射角と回折角とのズレ）が大きくなるので、画面周辺での色分散が著しく大きくなり、画質劣化が大きくなる。

（ＨＯＥ面の詳細について）
次に、本実施形態のＨＯＥ面の詳細について説明する。なお、説明の便宜上、映像表示装置１における各方向を以下のように定義しておく。図５は、映像表示装置１における座標軸を示す説明図である。同図に示すように、観察瞳Ｐの中心を原点とし、原点において観察瞳面に垂直な方向であって、接眼光学系１４に向かう方向を＋Ｚ方向とし、原点から上に向かう方向を＋Ｘ方向とし、原点から左に向かう方向を＋Ｙ方向とする。なお、上記の各方向の定義は、本実施形態でＨＯＥ面２３ａの形状を説明するときだけ参酌されるものとし、後述する実施例のコンストラクションデータでの方向の定義とは異なることを断わっておく。

また、表示素子１３の表示面の中心と、接眼光学系１４によって形成される観察瞳Ｐの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とし、接眼光学系１４のＨＯＥ２３に対する入射光の光軸と反射光の光軸とを含む面を主平面とすると、本実施形態では、ＹＺ平面が主平面または主平面に平行な面に相当する。

図６は、ＨＯＥ面２３ａの主平面に平行な面内での断面形状を示すグラフであり、図７は、ＨＯＥ面２３ａの上記面内での曲率半径の変化を示すグラフである。これらの図に示すように、ＨＯＥ面２３ａは、主平面に平行な面内でのみ（主平面に平行な方向にのみ）曲率を有する、観察瞳Ｐ側に凹の曲面で構成されている。しかも、ＨＯＥ面２３ａの上記面内での曲率半径は、上記面内で表示素子１３の表示面の中心ａ₀に最も近い位置ｂ₁から最も遠い位置ｂ₂に向かうにつれて小さくなっている。また、ＨＯＥ面２３ａは、主平面を対称面として上下方向に対称な形状となっている。

なお、図６および図７では、ＨＯＥ２３の基準点Ｑ（Ｘ₀，Ｙ₀，Ｚ₀）をローカル座標の原点としたときの座標系（Ｘhoe ，Ｙhoe ，Ｚhoe ）を用いて、ＨＯＥ２３ａの断面形状および曲率の変化をそれぞれ示している。このとき、観察瞳Ｐの中心をグローバル座標の原点（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）とすると、ＨＯＥ２３の基準点Ｑのグローバル座標は、（Ｘ₀，Ｙ₀，Ｚ₀）＝（０，−０．６８４，３６．８８）である。ただし、ＨＯＥ面２３ａのＸ軸回りの回転角度をＡＤＥとすると、ＡＤＥ＝−２０°である。

ＨＯＥ面２３ａが上記のような曲面で構成されていることにより、ＨＯＥ２３で表示面の中心ａ₀に近い位置に入射する映像光、すなわち、ＨＯＥ面２３ａが平面であるときに回折角度の小さい映像光については、ＨＯＥ面２３ａの曲率半径の大きい（曲率の小さい）部分で回折させて、回折角度を小さくしつつ（正反射角度に近づけつつ）、ＨＯＥ２３で表示面の中心ａ₀から遠い位置に入射する映像光、すなわち、ＨＯＥ面２３ａが平面であるときに回折角度が大きくなる映像光（画角端部の映像光）については、ＨＯＥ面２３ａの曲率半径の小さい（曲率の大きい）部分で回折させて、回折角度を小さくする（正反射角度に近づける）ことができる。なお、ＨＯＥ面２３ａの最大曲率半径は無限大であってもよい。つまり、ＨＯＥ面２３ａで曲率半径が最大となる部分は平面であってもよい。

しかも、ＨＯＥ面２３ａの曲率を一定ではなく、位置によって（表示面の中心ａ₀からの距離に応じて）変化させることにより、広画角化する場合でも、ＨＯＥ面２３ａの全体をシリンドリカル面とする構成に比べて、ＨＯＥ面２３ａの凸側（観察瞳Ｐとは反対側）への突出量（サグ量Ｚhoe ）を小さく抑えながら、画角端部での回折角度を正反射角度に近づけることができる。したがって、広画角化する場合でも、ＨＯＥ２３を含む接眼光学系１４がＺ方向に厚くなることなく、ＨＯＥ２３の分散による倍率色収差を小さく抑えて、高品位な映像を観察者に観察させることができる。

また、本実施形態では、表示素子１３の表示面の長辺方向が水平方向であるため、観察画角は、上下方向に比べて水平方向のほうが広い。上記の水平方向は主平面に平行な方向であり、ＨＯＥ面２３ａは主平面に平行な面内でのみ曲率を有していることから、ＨＯＥ面２３ａは、観察画角が異なる２方向のうち、画角がより広い方向に（画角がより広い方向に平行な断面内で）曲率を有しているとも言うことができる。

このように、ＨＯＥ面２３ａが、画角がより広い方向に曲率を有していることにより、画角が広い方向における画角端部の映像光のＨＯＥでの回折角度を、ＨＯＥ面２３ａの曲率半径の小さい（曲率の大きい）部分で回折させて、回折角度を小さくすることができる（正反射角度とのずれを小さくすることができる）。これにより、画角がより広い方向に広画角化する場合でも、画面全体においてＨＯＥ２３の分散による倍率色収差を小さく抑えることができる。

また、接眼光学系１４において、ＨＯＥ２３が形成される基板２４は、ＨＯＥ面２３ａに垂直な方向の厚さが一定の板状の基板であるので、接眼光学系１４を薄型で軽量に構成することができ、これによって観察瞳Ｐの面に垂直な方向に薄型の映像表示装置１を実現することができる。

さらに、基板２４は、上述したように、ＨＯＥ２３で発生する０次回折光が全て観察瞳Ｐに向かう光路から外れるようにＨＯＥ２３を保持しているので、ＨＯＥ２３での表面反射によるゴースト像の発生を回避することができる。また、ゴースト像の発生を回避すべく、板状の基板２４が上記のようにＨＯＥ２３を保持している場合には、主平面に平行な面内での最大回折角度が大きくなりやすいので、主平面に平行な面内でのみＨＯＥ面２３ａに曲率を持たせ、かつ、その曲率を変化させる本実施形態の構成は、板状の基板２４を用いる構成において非常に有効となる。

なお、本実施形態では、基板２４において観察瞳Ｐとは反対側の面にＨＯＥ２３を形成した例について説明したが、基板２４における観察瞳Ｐ側の面にＨＯＥ２３を形成しても、上述した本実施形態の効果を得ることは可能である。

なお、本実施形態では、表示素子１３を表示面が横長となるように配置した例について説明したが、表示面が縦長となるように表示素子１３を配置して、主平面に平行な面内でのみＨＯＥ面２３ａに曲率を持たせ、かつ、その曲率を変化させるようにしてもよい。この構成では、ＨＯＥ面２３ａが曲率を持つ面（主平面に平行な面）が、観察画角の狭い方向（水平方向）に平行な面となるが、この場合でも、ＨＯＥ面２３ａの上記した曲率の変化によって、観察画角の狭い方向での最大回折角度を小さく抑えることができる。したがって、観察画角の狭い方向を広画角化する場合でも、接眼光学系１４の前方への突出を抑えながら、倍率色収差の低減によって高品位な映像を観察者に観察させることができる。

また、ＨＯＥ２３における最大回折角度は、観察画角と観察瞳Ｐのサイズとで決まるので、観察画角の狭い方向で最大回折角度を小さく抑えることにより、観察瞳Ｐのサイズを水平方向に大きく形成することができる。観察者の眼幅（フレームに対する観察瞳位置）には個人差があるので、観察瞳Ｐのサイズを水平方向に大きく形成することにより、より多くの人が良好に映像を観察できる装置を実現することができる。

なお、ＨＯＥ２３は、ホログラム感光材料を、露光用光学系を用いて露光することにより作製される。このときの露光は、基板２４にホログラム感光材料を貼り付けた後に行ってもよいし、フィルム状のホログラム感光材料を露光した後に、基板２４に貼り付けてもよい。なお、ホログラム感光材料としては、フォトポリマー、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチンなどが用いられるが、中でもドライプロセスでＨＯＥ２３を容易に製造可能なフォトポリマーを用いることが望ましい。

なお、ＨＯＥ２３の作製時（ホログラム感光材料の露光時）には、ホログラム感光材料の表面および基板２４の表面に、反射防止コートまたは反射防止フィルムを施すことが望ましい。これは、露光時のホログラム感光材料での表面反射光、または基板２４での表面反射光および裏面反射光により、ホログラム感光材料に不要な干渉縞が記録され、これによって観察像にゴーストやフレアが発生し、映像品位が劣化するからである。

〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。

図８は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。なお、図８では、便宜上、光源１１および照明光学系１２の図示を省略している。本実施形態の映像表示装置１は、表示素子１３を観察者の顔の横に配置し、眼前に配置される導光プリズムの一面にＨＯＥ２３を保持して、ＨＯＥ２３を、水平方向に進行する映像光と外界光とのコンバイナとして使用するシースルー映像表示装置である。以下、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

映像表示装置１の接眼光学系１４は、接眼プリズム２１と、偏向プリズム２２と、ＨＯＥ２３とを有して構成されている。

接眼プリズム２１は、面２１ａを介して入射する表示素子１３からの映像光を、面２１ｂ・２１ｃで少なくとも１回全反射させてＨＯＥ２３に導光するプリズムである。なお、面２１ａ・２１ｂ・２１ｃは、いずれも平面であり、光学パワーを持っていない。

偏向プリズム２２は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており、接眼プリズム２１とＨＯＥ２３を介して貼り合わされたときに、接眼プリズム２１と一体となって略平行平板となるものである。

ＨＯＥ２３は、接眼プリズム２１において偏向プリズム２２との接合面である面２１ｄに形成されている。したがって、ＨＯＥ面２３ａの形状は、面２１ｄの形状によって規定されることになる。また、本実施形態では、接眼光学系１４において、光学パワーを持つ面は、ＨＯＥ面２３ａのみとなっている。

上記の構成において、光源１１から出射された光は、照明光学系１２によって集光され、ほぼコリメート光となって表示素子１３に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。表示素子１３からの映像光は、接眼プリズム２１の内部に面２１ａから入射し、続いて面２１ｂ・２１ｃで少なくとも１回ずつ全反射されてＨＯＥ２３に入射する。ＨＯＥ２３に到達した映像光は、そこで回折反射された後、面２１ｃを透過して観察瞳Ｐに到達する。したがって、観察瞳Ｐの位置に観察者の眼（瞳）Ｅを位置させることにより、観察者は、表示素子１３に表示された映像の拡大虚像を眼前に観察することができる。また、観察者は、ＨＯＥ２３を介して、眼前の外界も同時に観察することができる。

次に、本実施形態のＨＯＥ面２３ａの形状について説明する。なお、説明の便宜上、映像表示装置１における各方向を以下のように定義しておく。図９は、本実施形態の映像表示装置１における座標軸を示す説明図である。同図に示すように、観察瞳Ｐの中心を原点とし、原点において観察瞳面に垂直な方向であって、接眼光学系１４に向かう方向を＋Ｚ方向とし、原点から上に向かう方向を＋Ｘ方向とし、原点から左に向かう方向を＋Ｙ方向とする。なお、上記の各方向の定義は、本実施形態でＨＯＥ面２３ａの形状を説明するときだけ参酌されるものであり、後述する実施例のコンストラクションデータでの方向の定義とは異なることを断わっておく。本実施形態では、ＹＺ平面が主平面または主平面に平行な面に相当する。

図１０は、ＨＯＥ面２３ａの主平面に平行な面内での断面形状を示すグラフであり、図１１は、ＨＯＥ面２３ａの上記面内での曲率半径の変化を示すグラフである。これらの図に示すように、ＨＯＥ面２３ａは、主平面に平行な面内でのみ（主平面と平行な方向にのみ）曲率を有する、観察瞳Ｐ側に凹の曲面で構成されている。しかも、ＨＯＥ面２３ａの上記面内での曲率半径は、上記面内で表示素子１３の表示面の中心ａ₀に最も近い位置ｂ₁から最も遠い位置ｂ₂に向かうにつれて小さくなっている。また、ＨＯＥ面２３ａは、主平面を対称面として上下方向に対称な形状となっている。

なお、図１０および図１１では、ＨＯＥ２３の基準点Ｑ（Ｘ₀，Ｙ₀，Ｚ₀）をローカル座標の原点としたときの座標系（Ｘhoe ，Ｙhoe ，Ｚhoe ）を用いて、ＨＯＥ２３ａの断面形状および曲率の変化をそれぞれ示している。このとき、観察瞳Ｐの中心をグローバル座標の原点（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）とすると、ＨＯＥ２３の基準点Ｑのグローバル座標は、（Ｘ₀，Ｙ₀，Ｚ₀）＝（０，６．６，１９．７４）である。ただし、ＨＯＥ面２３ａのＸ軸回りの回転角度をＡＤＥとすると、ＡＤＥ＝−２２°である。

本実施形態においても、ＨＯＥ面２３ａが上記のような曲面で構成されているので、ＨＯＥ２３で表示面の中心ａ₀に近い位置に入射する映像光については、ＨＯＥ面２３ａの曲率半径の大きい部分で回折させて、回折角度を正反射角度に近づけつつ、ＨＯＥ２３で表示面の中心ａ₀から遠い位置に入射する映像光については、ＨＯＥ面２３ａの曲率半径の小さい部分で回折させて、回折角度を正反射角度に近づけることができる。ちなみに、画面中心と観察瞳中心とを結ぶ光線（主光線）についての０次回折光と１次回折光の回折角度の差Δθは、
Δθ＜３°
を満足しており、ＨＯＥ面２３ａ上で正反射に近い角度で主光線が回折している。

しかも、ＨＯＥ面２３ａの曲率を一定ではなく、位置によって変化させることにより、広画角化する場合でも、ＨＯＥ面２３ａの全体をシリンドリカル面とする構成に比べて、ＨＯＥ面２３ａの凸側への突出量を小さく抑えながら、画角端部での回折角度を小さくすることができる。したがって、広画角化する場合でも、ＨＯＥ２３を含む接眼光学系１４がＺ方向に厚くなることなく、ＨＯＥ２３の分散による倍率色収差を小さく抑えて、高品位な映像を観察者に観察させることができる。

また、接眼光学系１４において、光学パワーを持つ面が複数あると、各面に光学パワーが分担されることにより、ＨＯＥ面２３ａが負担する光学パワーが小さくなる。したがって、この場合は、ＨＯＥ２３の分散による倍率色収差が元々小さい。これに対して、本実施形態では、接眼光学系１４においてＨＯＥ面２３ａの１面のみが光学パワーを持つため、ＨＯＥ面２３ａが負担する光学パワーが大きくなり、ＨＯＥ２３の分散による倍率色収差が大きくなる。したがって、ＨＯＥ面２３ａを上記の曲面で構成して、ＨＯＥ２３の分散による倍率色収差を小さく抑える本発明が非常に有効となる。

また、接眼光学系１４の接眼プリズム２１は、入射面である面２１ａを介して入射する表示素子１３からの映像光を少なくとも１つの全反射面（面２１ｂ・２１ｃ）で全反射させて導光し、ＨＯＥ２３に導く。このように映像光を全反射によって導光する接眼プリズム２１を用いることにより、接眼光学系１４を薄型に構成することができ、コンパクトな映像表示装置１を実現することができる。

また、本実施形態では、偏向プリズム２２がＨＯＥ２３を介して接眼プリズム２１と接合されているので、ＨＯＥ２３での表面反射を低減することができ、０次回折光によるゴースト像の発生を低減することができる。また、表示素子１３の表示映像を外界と重畳させてシースルーで観察する構成では、偏向プリズム２２により、外界光のＨＯＥ２３の表面での屈折がなくなるため、観察者は歪みのない自然な外界を観察することができる。したがって、偏向プリズム２２は、視認される映像および外界の像を良好に補正するための補正プリズムとしての機能を有する。

〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１、２と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。

（映像表示装置について）
図１２は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の映像表示装置１は、観察者の眼前に配置される接眼光学系１４の上方に表示素子１３を配置し、接眼光学系１４の導光プリズムの一面にＨＯＥ２３を保持して、ＨＯＥ２３を、上下方向に進行する映像光と外界光とのコンバイナとして使用するシースルー映像表示装置である。

すなわち、本実施形態の映像表示装置１は、映像光の観察瞳Ｐへの導光方向が上下方向である点で、導光方向が水平方向である実施の形態２と異なっているが、接眼プリズム２１内で全反射を用いて映像光を導光する点、ＨＯＥ２３で映像光を回折反射させて観察瞳Ｐに導く点については、実施の形態２と同様である。ただし、ＨＯＥ面２３ａの形状は、実施の形態２とは異なっている。以下、この点について説明する。

なお、本実施形態の映像表示装置１では、表示素子１３からの映像光は、接眼光学系１４のＨＯＥ２３に対して上方から入射し、そこで回折反射されて観察瞳Ｐに導かれるので、ＨＯＥ２３に対する入射光の光軸と反射光の光軸とを含む主平面は、左右方向に垂直な面となる。

図１３は、接眼光学系１４の斜視図を示している。本実施形態においても、ＨＯＥ２３は、接眼プリズム２１の面２１ｄ（図１２参照）に形成されており、面２１ｄの形状によってＨＯＥ面２３ａの形状が規定される。本実施形態では、ＨＯＥ面２３ａは、主平面に垂直な面内でのみ（主平面に垂直な方向でのみ）曲率を有する、観察瞳Ｐ側に凹の曲面で構成されており、主平面に対して左右対称な形状となっている。なお、主平面に垂直な面とは、ここでは、主平面に垂直で、かつ、観察瞳Ｐの面に垂直な面を指す。

ここで、本実施形態では、映像表示装置１における各方向を以下のように定義しておく。図１４および図１５は、本実施形態の映像表示装置１における座標軸を示す説明図であり、図１４は映像表示装置１のＹＺ平面での断面図も兼ねており、図１５は映像表示装置１のＺＸ平面での断面図も兼ねている。これらの図面に示すように、観察瞳Ｐの中心を原点とし、原点において観察瞳面に垂直な方向であって、接眼光学系１４に向かう方向を＋Ｚ方向とし、原点から上に向かう方向を＋Ｙ方向とし、原点から右に向かう方向を＋Ｘ方向とする。このような座標系では、ＹＺ平面が主平面または主平面に平行な面に相当し、ＺＸ平面が主平面に垂直な面に相当する。なお、上記の各方向の定義は、後述する実施例のコンストラクションデータでの方向の定義と同じである。

図１６は、ＨＯＥ面２３ａの主平面に垂直な面内での断面形状を示すグラフであり、図１７は、ＨＯＥ面２３ａの上記面内での曲率半径の変化を示すグラフである。これらの図に示すように、ＨＯＥ面２３ａの上記面内での曲率半径は、上記面内で表示素子１３の表示面の中心ａ₀に最も近い位置ｂ₁から最も遠い位置ｂ₂に向かうにつれて小さくなっている。

なお、図１６および図１７では、ＨＯＥ２３の基準点Ｑ（Ｘ₀，Ｙ₀，Ｚ₀）をローカル座標の原点としたときの座標系（Ｘhoe ，Ｙhoe ，Ｚhoe ）を用いて、ＨＯＥ２３ａの断面形状および曲率の変化をそれぞれ示している。このとき、観察瞳Ｐの中心をグローバル座標の原点（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）とすると、ＨＯＥ２３の基準点Ｑのグローバル座標は、（Ｘ₀，Ｙ₀，Ｚ₀）＝（０，０．１６４，１７．５）である。

表示面が横長となるように表示素子１３が配置されているとすると、ＨＯＥ面２３ａは、画面の長辺方向、すなわち観察者の左右方向に曲率を有する曲面形状である。そして、ＨＯＥ面２３ａは、表示素子１３の表示面の中心ａ₀に最も近い位置ｂ₁（ＨＯＥ面２３ａの中央）では曲率半径が大きく、左右端に行くにしたがって曲率半径が小さくなる左右対称の曲面であり、表示面の中心ａ₀から最も遠い位置ｂ₂で曲率半径が最も小さくなる。

ＨＯＥ面２３ａを例えば平面で構成した場合、長辺方向の左右端は映像光の回折角度が大きいため、分散による倍率色収差が大きい。本実施形態のように、ＨＯＥ面２３ａを、主平面に垂直な左右方向に曲率を持ち、かつ、左右端になるほど曲率半径の小さい曲面で構成することにより、左右端での映像光の回折角度を小さくして、画面全域で回折により発生する倍率色収差を抑えることができ、高品位な映像表示装置１を実現することができる。

（ＨＯＥの作製について）
次に、上述したＨＯＥ２３の作製方法（露光方法）について説明する。図１８は、ＨＯＥ２３を作製する露光光学系の概略の構成を示す断面図である。反射型のＨＯＥ２３は、ＲＧＢのそれぞれについて、レーザー光を２光束に分離してそれぞれ参照光および物体光とし、基板（ここでは接眼プリズム２１）上のホログラム感光材料２３ｐを基板側およびその反対側から２光束（参照光、物体光）で露光し、これら２光束による干渉縞をホログラム感光材料２３ｐに記録することにより作製される。より具体的には、以下の通りである。なお、ここでは、観察者の眼を配置する側の光を参照光、反対側からの光を物体光と呼ぶことにする。また、ＲＧＢのレーザーの発光波長は、例えば、Ｒ：６４７ｎｍ、Ｇ：５３２ｎｍ、Ｂ：４７６ｎｍである。

ホログラム感光材料２３ｐは、１枚の長方形状にカットされたフィルム状の感光材料であり、基板としての接眼プリズム２１の面２１ｄ上に貼り付けられている。このとき、ホログラム感光材料２３ｐは、露光面積よりも大きいサイズにカットされており、点光源４１とホログラム感光材料２３ｐとの間に配置される露光マスク４２によって、露光領域が規定される。

まず、ＲＧＢのそれぞれについて、レーザー光をビームスプリッタで２光束に分離した後、それぞれの光束（参照光、物体光）を点光源４１・５１から発散する発散光となるように集光する。

ＲＧＢの参照光は、同一位置の点光源４１から出射される球面波であり、露光マスク４２を介して接眼プリズム２１側からホログラム感光材料２３ｐに入射する。このとき、ＲＧＢの各点光源４１は、映像観察時の接眼光学系１４の観察瞳Ｐの中心に位置する。なお、使用状態において、光源１１（ＬＥＤ）からのＲＧＢのピーク波長の光がＨＯＥ２３にて回折されたときに同じ（１つの）点光源４１の位置に重なるように、使用時に用いる光源１１のピーク波長と製造時に用いるレーザーの発光波長とのずれ量に応じて、接眼光学系１４の観察瞳Ｐ上でＲＧＢの各点光源４１をずらして配置してもよい。

一方、ＲＧＢの物体光は、同一位置の点光源５１から出射される発散光であり、自由曲面ミラー５２によって所定の波面に整形され、反射ミラー５３で反射され、色補正プリズム５４を介して接眼プリズム２１とは反対側からホログラム感光材料２３ｐに入射する。このとき、色補正プリズム５４の面５４ａは、使用時に用いられる接眼光学系１４の接眼プリズム２１の面２１ａ（図１２参照）での映像光の屈折に起因して発生する色収差を打ち消すように、その角度が決定されている。なお、色補正プリズム５４は、表面反射によるゴーストを防止するためにホログラム感光材料２３ｐに対して密着して配置されるか、エマルジョンオイルなどを介して配置されることが望ましい。

以上のようにして、ホログラム感光材料２３ｐに対して参照光と物体光とを照射することにより、これら２光束による干渉縞がホログラム感光材料２３ｐに記録され、ＨＯＥ２３が作製される。

本実施形態のように、ＨＯＥ面２３ａが主平面に垂直な面内でのみ曲率を有する形状の場合、上記のように連続した１枚のホログラム感光材料２３ｐを用いてＨＯＥ２３を作製することができるので、その作製が容易となる。

また、露光マスク４２は、参照光がホログラム感光材料２３ｐに照射される領域を規制する絞りとしての機能を有していることから、ＨＯＥ２３の有効領域は、ホログラム感光材料２３ｐを露光する露光光学系の光路中の絞り（露光マスク４２）により規定されると言える。

ＨＯＥ２３は、露光による干渉縞が形成された領域のみ、所望の光学特性を有する有効領域として機能するが、例えば、本実施形態において、ホログラム感光材料２３ｐの外形形状（大きさ）によってＨＯＥ２３の有効領域を規定しようとすると、ホログラム感光材料２３ｐのエッジにより、フレアが発生して映像品位を劣化させる。

これに対して、本実施形態のように、露光光学系の光路中の絞り（露光マスク４２）によって、ＨＯＥ２３の有効領域を規定することにより、ＨＯＥ２３の有効領域を、ホログラム感光材料２３ｐの形成範囲よりも内側に形成することができる。これにより、ＨＯＥ２３の有効領域がホログラム感光材料２３ｐのエッジを含まないようにすることができるので、ホログラム感光材料２３ｐのエッジによる映像品位の劣化を回避することができる。

また、光路中に露光マスク４２を配置することにより、ＨＯＥ２３を、１つの露光光学系での露光によって形成することができ、製造工程を単純化することができる。

〔実施の形態４〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１〜３と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。本実施形態では、上述した映像表示装置１を適用することが可能なヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）およびヘッドマウントディスプレイについて説明する。

（ＨＵＤについて）
図１９は、本実施形態のＨＵＤの概略の構成を示す断面図である。なお、図１９では、便宜上、光源および照明光学系の図示を省略している。本実施形態のＨＵＤでは、例えば、車両のダッシュボード内に映像表示装置１の表示素子１３を配置し、使用者（運転者）の視界内の眼前に配置される薄い板状の基板２５にＨＯＥ２３が保持されている。これにより、ＨＯＥ２３を、表示素子１３からの映像光と外界光とを同時に観察瞳Ｐに導くコンバイナとして使用することができる。本実施形態では、ＨＯＥ２３と基板２５とで、表示素子１３からの映像光を観察瞳Ｐに導き、観察瞳Ｐの位置にて観察者に虚像を観察させるための観察光学系２６が構成されている。

ここで、基板２５は、ＨＯＥ面２３ａに垂直な方向の厚さが一定の板状の基板であり、ＨＯＥ２３で発生する０次回折光（正反射光）が観察瞳Ｐに向かう光路から外れるように、主平面に平行な方向に傾いて配置されている。なお、本実施形態では、表示素子１３からの映像光は下方から上方に向かって進行しながら、ＨＯＥ２３で回折反射されて観察瞳Ｐに入射するので、上記の主平面は、水平方向（図１９の紙面に垂直な方向）に垂直な面となり、ＨＯＥ２３は、この主平面を対称面として左右方向に対称に形成されることになる。

ＨＯＥ面２３ａは、主平面に平行な面内でのみ曲率を有する、全体として観察瞳Ｐ側に凹の曲面で構成されている。しかも、ＨＯＥ面２３ａの上記面内での曲率半径は、上記面内で表示素子１３の表示面の中心ａ₀に最も近い位置ｂ₁から最も遠い位置ｂ₂に向かうにつれて小さくなっている。

実施の形態１と同様に、本実施形態でも、ＨＯＥ２３および基板２５での表面反射光によるゴースト像を回避するため、基板２５を傾けて配置し、０次回折光等が観察瞳Ｐに到達しない構成になっている。このような構成では、画角上端での回折角度が比較的大きいために、分散により発生する倍率色収差が比較的大きくなりやすい。

しかし、本実施形態のように、ＨＯＥ面２３ａを上記の曲面で構成することにより、画角上端でのＨＯＥ２３での回折角（回折角と正反射角とのズレ）を小さく抑えることができ、ＨＯＥ２３での分散による倍率色収差を小さく抑えることができる。

なお、画角上端でのＨＯＥ２３での回折角が正反射角よりも小さくなるように設定されると、観察者が顔を下方に向けたときに正反射光によるゴースト像が観察されることがある。この場合は、光路の途中に配置される筐体などの構成部材でゴースト光を遮断することで、ゴースト像が観察されるのを回避することが可能である。

（ＨＭＤについて）
図２０は、本実施形態のＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。このＨＭＤは、上述した実施の形態３の映像表示装置１と、支持部材２とで構成されている。

映像表示装置１は、光源１１、照明光学系１２および表示素子１３（ともに図１２参照）を内包する筐体３を有している。この筐体３は、接眼光学系１４の一部を保持している。接眼光学系１４は、接眼プリズム２１および偏向プリズム２２の貼り合わせによって構成されており、全体として眼鏡の一方のレンズ（図２０では右眼用レンズ）のような形状をしている。また、映像表示装置１は、筐体３を貫通して設けられるケーブル４を介して、光源１１および表示素子１３に少なくとも駆動電力および映像信号を供給するための回路基板（図示せず）を有している。

支持部材２は、眼鏡のフレームに相当する支持機構であり、映像表示装置１を観察者の眼前（例えば右眼の前）に正確に位置するように支持している。この支持部材２は、観察者の左右の側頭部に当接するテンプル５（右テンプル５Ｒ、左テンプル５Ｌ）と、観察者の鼻と当接する鼻当て６（右鼻当て６Ｒ・左鼻当て６Ｌ）と、その鼻当て６を所定の位置で固定する鼻当てロックユニット（図示せず）とを含んでいる。鼻当てロックユニットは、ばね性の軸により鼻当て６を保持しており、鼻当て６の傾きを調整することが可能である。さらに、支持部材２は、観察者の左眼の前方に配置されるダミーレンズ７も支持している。

観察者は、支持部材２のテンプル５を持って接眼光学系１４を移動させながら、接眼光学系１４の観察瞳の位置と、観察者の瞳位置とが一致するように全体の位置調整を行い、鼻当てロックユニットによって鼻当て６を固定し、ＨＭＤを頭部に装着する。この状態で表示素子１３に映像を表示すると、観察者は、映像表示装置１の表示映像の拡大虚像を観察することができると同時に、接眼光学系１４を介して外界をシースルーで観察することができる。

このように、映像表示装置１が支持部材２にて支持されることにより、観察者は映像表示装置１から提供される映像をハンズフリーで長時間安定して観察することができ、良好な映像観察を長時間にわたって楽しむことができる。

なお、映像表示装置１を２つ用いて両眼で映像を観察できるようにしてもよい。この場合は、両方の接眼光学系の間の距離（眼幅距離）を調整するための調整機構（図示せず）を設けることが必要である。

なお、上述した各実施の形態の構成を組み合わせて映像表示装置１、ひいてはＨＭＤやＨＵＤを構成することも勿論可能である。

〔実施例〕
次に、上述した実施の形態１〜３の映像表示装置１の実施例について、実施例１〜３として、コンストラクションデータ等を挙げてさらに具体的に説明する。実施例１〜３は、実施の形態１〜３の映像表示装置１に対応する数値実施例である。

なお、以下に示すコンストラクションデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）は、観察瞳Ｐ側から数えてｉ番目の面（観察瞳Ｐを１番目の面とする）を示している。また、表示素子１３のカバーガラス（ＣＧ）において、接眼光学系１４側の面をＣＧ面とし、光源１１側の面を像面（表示面）としている。なお、各面Ｓｉについては、図５、図９および図１４を参照することによってより明らかになる。

各面Ｓｉの配置は、面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（ＡＤＥ）の各面データでそれぞれ特定される。面Ｓｉの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されている（単位はｍｍ）。また、面Ｓｉの傾きは、その面頂点を中心とするＸ軸回りの回転角度（Ｘ回転）で表されている。なお、回転角度の単位は°であり、Ｘ軸の正方向から見て反時計回りの方向がＸ回転の回転角度の正方向とする。

また、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は、観察瞳面（Ｓ１）のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっている。すなわち、各面Ｓｉの配置データは、観察瞳面中心を原点としたグローバル座標系で表現される。なお、観察瞳面（Ｓ１）では、観察瞳Ｐから接眼光学系１４に向かう方向が＋Ｚ方向であり、観察瞳Ｐに対して上方向が＋Ｙ方向であり、観察瞳Ｐに対して右方向が＋Ｘ方向である。

また、各実施例１〜３で用いたＨＯＥ２３を作製する際の製造波長（ＨＷＬ；規格化波長）および使用波長はともに５３２ｎｍであり、回折光の使用次数は１次である。ＨＯＥ面については、作製に用いる２光束を定義することにより、ＨＯＥを一義的に定義する。２光束の定義は、各光束の光源位置と、各光源からの射出ビームが収束ビーム（ＶＩＲ）、発散ビーム（ＲＥＡ）のどちらであるかで行う。なお、第１の点光源（ＨＶ１）、第２の点光源（ＨＶ２）の座標を、それぞれ（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）、（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）とする。

また、各実施例１〜３では、ＨＯＥによる複雑な波面再生を行うので、２光束の定義に加えて、位相関数φによってもＨＯＥを定義する。位相関数φは、以下の数６式に示すように、ＨＯＥの位置（Ｘ，Ｙ）による生成多項式であり、係数が１次〜１０次までの昇順の単項式で表される。コンストラクションデータにおいては、位相関数φの係数Ｃｊを示している。

なお、係数Ｃｊの番号ｊは、ｍ、ｎをＸ、Ｙの指数として以下の数７式で表される。

なお、ＨＯＥ面において、射出光線の法線ベクトルをそれぞれｐ’、ｑ’、ｒ’とし、入射光線の法線ベクトルをそれぞれｐ、ｑ、ｒとし、再生光束の波長をλ（ｎｍ）とし、ＨＯＥを作製する光束の波長をλ₀（ｎｍ）とすると、ｐ’、ｑ’、ｒ’は、以下の数８式で表される。

このように、各実施例１〜３では、Ｇ（緑）に対応する波長５３２ｎｍの光を射出する光源を使用してホログラム感光材料を露光し、波長５３２ｎｍの位相関数に対応する干渉縞を作成している。上記波長に対応する干渉縞を作成した後に、他の波長Ｒ（赤）、Ｂ（青）の光を射出する光源を使用して順次ホログラム感光材料を多重露光することにより、接眼光学系１４をカラー表示に対応させることができる。また、ＲＧＢに対応するホログラムを同時に多重露光することも可能である。

また、コンストラクションデータにおいて、多項式自由曲面の面形状は、次の数９式によって表現される。ただし、Ｚは高さｈの位置でのＺ軸方向（光軸方向）のサグ量（ｍｍ）を示し、ｃは面頂点での曲率（１／ｍｍ）を示し、ｈは高さ、すなわちＺ軸（光軸）からの距離（ｍｍ）を示し、ｋはコーニック定数を示し、ｃ（ｉ，ｊ）は、ｘⁱｙ^jの係数（自由曲面係数）を示す。なお、全てのデータに関して、表記の無い項の係数は全て０であり、Ｅ−ｎ＝×１０^-nとする。

（実施例１）
面番号 曲率半径 材質
Ｓ１ 瞳面 INFINITY Air
Ｓ２ 基板入射面 INFINITY PMMA
（ＸＹ多項式面係数）
Y : 3.6866E-02 Y2: -4.1394E-03 Y3: 6.4925E-04
Y4: -4.0291E-05 Y5: -1.6199E-07 Y6: -2.2083E-08
Ｓ３ ＨＯＥ面（回折反射面） INFINITY
（ＸＹ多項式面係数）
Y : 3.6866E-02 Y2: -4.1394E-03 Y3: 6.4925E-04
Y4: -4.0291E-05 Y5: -1.6199E-07 Y6: -2.2083E-08
（２光束の定義）
HV1;REA HV2;REA
HX1; 0.000000E+00 HY1; 0.000000E+00 HZ1; 0.100000E+01
HX2; 0.000000E+00 HY2; 0.000000E+00 HZ2; 0.100000E+01
HWL;532.00
（位相係数）
C2 : 9.5525E-02 C3 : -4.9889E-03 C5 : 3.8435E-03
C7 : 1.3277E-05 C9 : -1.2231E-03 C10: 2.0391E-08
C12: 2.5675E-07 C14: 8.1069E-05
Ｓ４ 基板射出面 INFINITY Air
（ＸＹ多項式面係数）
Y : 3.6866E-02 Y2: -4.1394E-03 Y3: 6.4925E-04
Y4: -4.0291E-05 Y5: -1.6199E-07 Y6: -2.2083E-08
Ｓ５ 像面 INFINITY

面番号 x y z ADE 基準面番号
Ｓ１ 0 0 0 0 （座標基準）
Ｓ２ 0 0 35 -20 Ｓ１
Ｓ３ 0 0 2 0 Ｓ２
Ｓ４ 0 0 0 0 Ｓ２
Ｓ５ 0 76.57 -27.73 -43.48 Ｓ１

（実施例２）
面番号 曲率半径 材質
Ｓ１ 瞳面 INFINITY Air
Ｓ２ 射出面 INFINITY PMMA
Ｓ３ ＨＯＥ面（回折反射面） INFINITY
（ＸＹ多項式面係数）
Y2: -3.1317E-02 Y3: -8.0485E-03 Y4: -1.1618E-03
Y5: -8.0516E-05 Y6: -2.1900E-06
（２光束の定義）
HV1;REA HV2;REA
HX1; 0.000000E+00 HY1; 0.000000E+00 HZ1; 0.000000E+00
HX2; 0.000000E+00 HY2; 0.000000E+00 HZ2; 0.000000E+00
HWL;532.00
（位相係数）
C2 : 8.9698E-02 C3 : -2.5256E-02 C5 : 8.1844E-02
C7 : -4.4438E-04 C9 : 2.4356E-02 C10: -1.2722E-06
C12: -1.4105E-04 C14: 3.4778E-03 C16: -2.6487E-07
C18: -2.0987E-05 C20: 2.4594E-04 C21: -5.9037E-10
C23: -4.3156E-08 C25: -1.5238E-06 C27: 7.2815E-06
C29: 1.8119E-09 C31: -3.3815E-09 C33: -4.2611E-08
C35: 2.9000E-08
Ｓ４ 第２の反射面（全反射面） INFINITY
Ｓ５ 第１の反射面（全反射面） INFINITY
Ｓ６ 入射面 INFINITY
Ｓ７ ＣＧ面 INFINITY BK7
Ｓ８ 表示面 INFINITY

面番号 x y z ADE 基準面番号
Ｓ１ 0 0 0 0 （座標基準）
Ｓ２ 0 -2 14 0 Ｓ１
Ｓ３ 0 6.6 19.74 -22 Ｓ１
Ｓ４ 0 6 14 0 Ｓ１
Ｓ５ 0 10 18.5 0 Ｓ１
Ｓ６ 0 16.76 15 -85.7 Ｓ１
Ｓ７ 0 20.44 9.28 -48.82 Ｓ１
Ｓ８ 0 0 0.7 0 Ｓ７

（実施例３）
面番号 曲率半径 材質
Ｓ１ 瞳面 INFINITY Air
Ｓ２ 射出面 INFINITY PMMA
Ｓ３ ＨＯＥ面（回折反射面） INFINITY
（ＸＹ多項式面係数）
X2: -2.4394E-03 X4: -3.0356E-05 X6: -5.3477E-07
X8: -1.2270E-08
（２光束の定義）
HV1;REA HV2;VIR
HX1; 0.000000E+00 HY1; 0.000000E+00 HZ1; 0.000000E+00
HX2; 0.000000E+00 HY2; 0.000000E+00 HZ2; 0.000000E+00
HWL;532.00
（位相係数）
C2 : -9.4030E-02 C3 : -1.6930E-02 C5 : -1.8831E-02
C7 : 2.4887E-04 C9 : -1.0513E-04 C10: 9.1556E-05
C12: 1.2468E-05 C14: -1.2551E-04 C16: -3.9056E-06
C18: -8.7326E-06 C20: -8.7201E-06 C21: 9.7327E-07
C23: -9.7672E-07 C25: 5.7536E-07 C27: 7.2400E-06
C29: 1.0168E-08 C31: 1.5354E-07 C33: 6.1819E-07
C35: 1.6951E-06 C36: 3.5887E-08 C38: 3.0111E-08
C40: 9.4827E-09 C42: 6.1225E-08 C44: 1.1060E-07
Ｓ４ 第３の反射面（全反射面） INFINITY
Ｓ５ 第２の反射面（全反射面） INFINITY
Ｓ６ 第１の反射面（全反射面） INFINITY
Ｓ７ 入射面 INFINITY
Ｓ８ ＣＧ面 INFINITY BK7
Ｓ９ 表示面 INFINITY

面番号 x y z ADE 基準面番号
Ｓ１ 0 0 0 0 （座標基準）
Ｓ２ 0 -2 14 0 Ｓ１
Ｓ３ 0 -0.164 17.5 -29.94 Ｓ１
Ｓ４ 0 6 14 0 Ｓ１
Ｓ５ 0 10 18.8 0 Ｓ１
Ｓ６ 0 16 14 0 Ｓ１
Ｓ７ 0 18.72 17.49 65.90 Ｓ１
Ｓ８ 0 21.40 19.17 40.37 Ｓ１
Ｓ９ 0 0 0.8 0 Ｓ８

本発明の映像表示装置は、ＨＭＤやＨＵＤに利用可能である。

１ 映像表示装置
２ 支持部材
１１ 光源
１３ 表示素子
１４ 接眼光学系（観察光学系）
２１ 接眼プリズム
２３ ＨＯＥ（ホログラフィック光学素子）
２３ａ ＨＯＥ面
２４ 基板
２５ 基板
２６ 観察光学系
Ｐ 観察瞳

Claims (8)

1. 発光ピーク波長が少なくとも１つ存在し、かつ、１つの発光ピーク波長を含む波長幅の光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を変調して映像を表示する表示素子と、
   前記表示素子からの映像光を観察瞳に導き、前記観察瞳の位置にて観察者に虚像を観察させるための観察光学系とを備えた映像表示装置であって、
   前記観察光学系は、前記表示素子からの映像光を回折反射させて前記観察瞳に導く体積位相型で反射型のホログラフィック光学素子を有しており、
   前記表示素子の表示面の中心と前記観察瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とし、前記ホログラフィック光学素子に対する入射光の光軸と反射光の光軸とを含む面を主平面とすると、
   前記ホログラフィック光学素子の面は、前記主平面を対称面とする対称形であり、前記主平面に平行または垂直な面内でのみ曲率を有し、かつ、前記面内で前記表示面の中心に最も近い位置から最も遠い位置に向かうにつれて曲率半径が小さくなる、前記観察瞳側に凹の曲面で構成されていることを特徴とする映像表示装置。
2. 前記観察光学系において、前記ホログラフィック光学素子の面のみが、光学パワーを有していることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
3. 前記ホログラフィック光学素子の面は、画角が異なる２方向のうち、画角がより広い方向に曲率を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の映像表示装置。
4. 前記観察光学系は、前記ホログラフィック光学素子が形成される基板を含み、
   前記基板は、前記ホログラフィック光学素子の面に垂直な方向の厚さが一定の板状の基板であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の映像表示装置。
5. 前記基板は、前記ホログラフィック光学素子で発生する０次回折光が前記観察瞳に向かう光路から外れるように、前記ホログラフィック光学素子を保持していることを特徴とする請求項４に記載の映像表示装置。
6. 前記観察光学系は、入射面を介して入射する前記表示素子からの映像光を少なくとも１つの全反射面で全反射させて導光し、前記ホログラフィック光学素子に導く接眼プリズムを備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の映像表示装置。
7. 前記観察光学系は、前記ホログラフィック光学素子を介して前記接眼プリズムと接合される補正プリズムをさらに備えていることを特徴とする請求項６に記載の映像表示装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の映像表示装置と、
   前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを備えていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

Images